CC BY
14
УДК: 539.91:539.37/38:620.121:620.19
С. В. Лоскутов
ВЛИЯНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ОБРАБОТОК МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ НА ФОРМИРОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО РЕЛЬЕФА
На основе методов рентгеновской дифрактометрии и контактной разности потенциалов исследованы особенности изменения приповерхностной структуры при шлифовании и наклёпе стальными шариками образцов из алюминия. Обнаружено, что переход от грубого к более мелкому шлифованию сначала сопровождается уменьшением работы выхода электронов (РВЭ), затем РВЭ растёт при достижении параметров полирования. При обработке ударами стальных шариков формируется энергетически однородная металлическая поверхность.
1 Введение
1 Введение
Дискретный характер контактного взаимодействия связан с неравномерностью пластической деформ3|и1и[пфелг:1ввре(но:!а1]иа[1опрргае1мн>1ха1елн|0^ личием полей упругих напряжений в кристалличес-
вояймшёейсивий ,слй§н)и?ймсвншзв1«рэтй]мнйне1ргё-
тического рельефа поверхности. Сложность усло-
йлаштейшь МЩецйв иго шеоибрш
гЛ с°оП]]:ЯтЯасвтМ'дВэХнак ЗЗД^^ "вЬ^нтс^е^гнЕ^
кающих в приповерхностных слоях металлов [1]. появднишемнжибвязй распрштрнвртеый мескооо поверхностной обработки металлов является мно-
рерьефа пгiаfотйхешiчд•ефложйн®§а'hиег<мi(тguИi
ала приипннвеерехноаOUно(ГодоГjC11в\uГPlO cе::rcоеГ¿И[ФаOBi:-
Ирощеию <?в°бенностей форсШ8баожющлх
ции деформационного рельефа после обработки
деф?е]1мст]нев'а]айс!т,ичеа|еим дефволяют^до
посвяЩена настоящая работа.
аастоящеео времени создать
ное покрытие). Энергия колебательного движения
ф^ерммеревойнйтpтой 40 Гии амплитудолю Цйй
передавалась за счёт ударов шариков образцу, жёсткрмакрепяёнокомрелврф® ¡масле обработки рьировалось время обработки и количество сталь-по)верхикоётн>вем1 осле несколЕйаСШуе <оКйМ ботки на поверхности образцов формировался ха -
дiе9íе(P1Mй^lро^iъааsфйíоMоTsосвящиУ1аiаладыiIO^Щlа)-рядота 6°Мру°Ч Мпмчагкйй;ВУптрй>СЬг вдор2°ечегётьнв1х
гамерыГ позволяло проводить обработку образцов
(двухслойное
как на в
3 ^тртрычейй еоЭумдейяейалолебдтел
Для образцов после шлифования полученны
1 1 ТТГ1Т1МЛЛТ1Т1Я ТТТТГ1 Ту* П* 1гГЧ»ЛТ т Л ЦП ЛГ^ЛТ1ЛТ1
ьаоео
Резуяйтд^йра1дйтЯвданы,кв§Шивцесг БчыаШбрру-° Гц й
поовзвРоВЛй^еве^хн^с?саТP|1iШййпь^ч^з::цу^lfëстко нием в пределах обработанной поверхности 009
выпелазяiкрчííтьйiаа:еfу0pрмк]теейе^ч!^^iйl^иiамеры•
ям КРП [2]). Характерные результаты измерений аааализшлезмзрятэ расерёделеаков сратдатиой шлифованием представлены на рис. 1. Между уча-
поСЛе^еват:Л:Ь,а?уícPиме31йЧескую картйну рfilзаш'OIр^!теаfцойалор:íX¿BílTьПтьпе^рхаEiест^í• В качестве материала для исследований был лена исходная поверхность образца. Значения РВЭ
" йоденитовк&жддазткови отражючашьнтв
лило с достаточной точностью выполнять рентгено-слоях^еталлов 11].
дифрактометрический анализ и измерять распределение кодантнйй разности§отенциалнУКро,л 80 поверхности. Подготовка образцов заключалась в
РВвадаее^зрем ен и° Видн) ' что 3 епехопрот
грубого к более мелкому шлифованию сопровож-
вакууме (3,325 ± 0,005) 10-3 Па при температуре (250
обраСоткйчмет&ллоы рявляетяя мнорокр снии
экспериментов на пяти участках образца поверх-
поктьтйчиtфкоiiлдшfiкурйiíеваазí!ичмоí1ерйника
тости. Во второй серии экспериментов обработку эхностного слоя в процессе
вляли
йповерхностноео слоя в таллических поверхностей осуществ
мел-
пр-
шли ^§ланьйми ш ар?1^ ]]огча?лс?щимуиоa^гниu
кочастотном поле. В прямоугольную рабочую ка-терльнвах №1еррйкоё0 йЗученмЮ оесыюнноетдй 200 стальных шариков диаметром 2 мм (двухслой-
тем уменьшение параметра шероховатости приво-
йетрйрШтуерксййер^
ствует предельно дрстигаемымгизменениям КРП
шлрквмй разлйчнлй нермйстостй? ^ечвтеемеí^ колеблющймйся в нйзкочастотном поле. В прямоугольную рабочую камеру с размерамй
© С. В. Лоскутов 2°°6 е.
55Л/ 1727-0219 Вестникдвигателестроения № 2/2006
- 109 -
Таблица - Параметры шероховатости и соответствующие им значения РВЭ
№ участка 1 2 3 4 5
Параметр шероховатости, Ка, мкм 1,5 0,9 0,45 0,21 0,075
РВЭ, эВ 3,141±0,081 3,048±0,090 2,87 ±0,025 3,014±0,015 3,024±0,011
О и 20 30 40 50 №
гтжп
Рис. 1. Зависимость распределения РВЭ для участков с различной шероховатостью поверхности поликристаллического алюминия: 1 - исходное, сразу после шлифования; 2 - через 1,5 часа; 3 - 20; 4 - 70; 5 - 73; 6 - 120;
7 - через 240 часов
Из рис. 1 также видно, что и релаксационные процессы протекают по-разному для участков с различным шлифовынием. Для первых двух участков наблюдается быстрое восстановление исходных параметров энергетического рельефа. На участках с 3 по 5 установились значительно меньшие значения РВЭ по сравнению с исходными. Можно предположить, что при грубом шлифовании энергетический рельеф поверхности быстро восстанавливается, а при тонком шлифовании (полирования) создаётся новое энергетическое состояние поверхности. С течением времени в результате релаксационных процессов на деформированных поверхностях РВЭ начинает расти и может превысить исходное значение для необработанной поверхности.
Поверхностная обработка металлов изменяет микрогеометрию и механические свойства материала поверхностного слоя. Влияние размера шлифовальных зёрен проявляется в размерах деформированных областей и в степени их деформации. В случае полирования в верхнем слое металла формируются мельчайшие кристаллиты. Соответствующие изменения РВЭ определяются как величиной деформации, так и параметрами сформировавшейся при этом атомарной шероховатости [3]. Уменьшение РВЭ после шлифования объясняется разориентацией и размельчением блоков и зёрен металла, интенсивным образованием дефектов и новых поверхностей. Однако при большой плотно-
сти дислокаций усиливается их взаимодействие, происходит их закрепление, что в свою очередь затрудняет выход на поверхность металла новых дислокаций и сопутствующих дефектов. Количество активных центров на поверхности с малой РВЭ перестаёт нарастать, достигнув насыщения. Возможным объяснением роста РВЭ деформированного поверхностного слоя при полировании может быть понижение атомарной шероховатости поверхности, связанной с релаксацией дефектных поверхностных структур [4], а также периодическая трансформация ансамбля взаимодействующих дислокаций и микротрещин [5].
В первые минуты после прекращения механической обработки наблюдается быстрая релаксация КРП. Можно предположить, что наряду с окислением осуществляется туннельный выход из активных центров возбуждённой поверхности электронов на внешнюю поверхность окисла и захват их адсорбированными атомами кислорода. В таком случае на поверхности появляется отрицательный заряд, который создаёт дополнительный барьер, вызывающий увеличение РВЭ. Чем грубее обработана поверхность, тем интенсивнее выход электронов на поверхность и быстрее протекают релаксационные процессы КРП, что особенно наглядно проявляется для шлифованных поверхностей (участки 1, 2 на рис. 1).
В следующей серии экспериментов, после обработки поверхности ударами стальных шариков выполнялось измерение распределения КРП вдоль образца так, чтобы просканировать участок поверхности оказавшийся в тени (1) и участок (2), после обработки (измерения с номерами 0, 3, 7, 11, 15). Номеру измерения соответствует одно распределение КРП с шагом сканирования 0,1 мм. Затем с интервалом в 24 часа проводились повторные измерения. На рис.2 серии кривых 1 соответствуют данные измерений распределений КРП в области "тени", а серии кривых 2 - результаты измерений в области упрочнения шариками. Ширина серий кривых 1 и 2 определяет разброс значений КРП вдоль кривых распределений в каждом отдельном измерении. На необработанной части поверхности образца со временем происходят незначительные вариации КРП, обработка же стальными шариками приводит к существенным изменениям величины КРП. Было обнаружено, что процесс пластического деформирования приповерхностного слоя алюминия в результате ударов стальных шариков сопровожда-
ется ростом РВЭ этой поверхности. После суммарного времени обработки 25 минут (п > 11 на рис. 2), увеличивается разброс значений КРП вдоль одной кривой распределения. Вероятно, что последнее вызвано разупрочнением, так как на поверхности появляются мелкие частицы алюминия. Дефектная структура поверхностного слоя в этом процессе эволюционирует следующим образом. Вначале под действием механических напряжений, обусловленных контактными давлениями при ударе стальных шариков, в поверхностном слое интенсивно генерируются дислокации. Плоские скопления дислокаций, заторможенные границами зёрен и другими структурными препятствиями, служат зародышами микротрещин. Рост микротрещин происходит за счёт стока в них дислокаций. На определённом этапе развития системы микротрещин происходит их слияние, что сопровождается отслаиванием частиц поверхностного слоя. Упрочнение металлических поверхностей стальными шариками выравнивает распределения КРП, что является следствием создания более однородной поверхности по сравнению с обработкой шлифованием. Аналогичные закономерности были получены для образцов из никеля и титановых сплавов. Представляется перспективным использовать методику измерений распределения КРП для оптимизации обработок, основанных на поверхностно-пластическом деформировании.
Чтобы проверить влияние окислительного механизма изменения КРП при обработке алюминия стальными шариками, в рабочую камеру в процессе обработки подавался аргон. Влияние среды аргона при упрочнении алюминия оказалось достаточно существенным. Наблюдается различие в интенсивности дифракционных пиков, рис. 3. Пластическое деформирование приповерхностного слоя в отсутствии кислорода формирует поверхность алюминия с меньшими значениями РВЭ. При этом рентгеновский анализ показал, что интенсивность дифракционных пиков возрастает после обработки об-
Рис. 2. Изменение КРП со временем и от обработок ударами мелких стальных шариков для образца алюминия: 1 - без обработки; 2 - область упрочнения
разца алюминия стальными шариками в аргоне. Последнее должно быть связано с измельчением блочной структуры.
паз
Рис. 3. Дифрактограмма образца из алюминия после
обработки стальными шариками. 1 - в аргоне; 2 - на воздухе
Упрочнение поверхности алюминия в среде аргона приводит к сдвигу кривой распределения КРП в сторону уменьшения РВЭ. Таким образом, упрочнение на воздухе повышает РВЭ с последующей релаксацией, а упрочнение в среде аргона уменьшает РВЭ деформированной поверхности чистого поликристаллического алюминия, что подтверждает существенное влияние окислительного процесса при упрочнении металлических поверхностей.
Выводы
1. Обнаружено, что переход от грубого к более мелкому шлифованию сначала сопровождается уменьшением работы выхода электронов, затем РВЭ растёт при достижении параметров полирования. При обработке ударами стальных шариков формируется энергетически однородная металлическая поверхность.
2. Деформационные процессы на поверхности алюминия в зависимости от окружающей газовой среды протекают по-разному. Упрочнение поверхности в воздушной среде приводит к проникновению газовых молекул в приповерхностный слой, к формированию неоднородной деформации кристаллической решётки.
3. Под влиянием упрочнения алюминия поверхностным пластическим деформированием значительно возрастает работа выхода и уменьшается возможность адсорбционных перестроек.
/55Л/1727-0219 Вестникдвигателестроения № 2/2006
- 111 -
Список литературы
1. Гаркунов Д.Н. Триботехника. - М.: Машиностроение, 1985. - 424 с., ил.
2. Савицкий Е.М., Буров И.В., Корольков В.А. и др. Работа выхода электрона элементов, измеренная методами контактной разности потенциалов и термоэлектронной эмиссии // Физика и химия обработки материалов. - 1985. - № 2. -С. 121-123.
3. Bhushan Bharat, Goldade Anton V. Measurements and analysis of surface potential change during wear
of single-crystal silicon (100) at ultralow loads using Kelvin probe microscopy // Applied Surface Science.
- 2000. - 157. - P.373-381.
4. Малыгин Г.А. Процессы самоорганизации дислокаций и пластичность кристаллов // Успехи физических наук. - 1999. - № 9. - С. 979-1010.
5. Малыгин Г.А. Механизм образования деформационных ступенек нанометрических размеров на поверхности пластически деформируемых кристаллов // Физика твёрдого тела. - 2001.
- 43, № 2. - С. 248-253.
Поступила в редакцию 19.02.2006 г.
На основ1 метод1в рентген1всько1 дифрактометрн i контактно!'р1зниц1 потенц1ал1в досл1джено особливостi змни приповерхневоi структури при шлiфуваннi i наклепi стале-вими кульками зразкв з алюмiнiю. Виявлено, що перех'д вд грубого до бiльш дрiбного шлiфування спочатку супроводжуеться зменшенням роботи виходу електронiв (РВЕ), потiм РВЕ росте при досягненн i параметрiв полiрування. При обробц ударами сталевих кульок формуеться енергетично однорiдна металева поверхня.
Specimens of Al were investigated with X-ray method and changes of the surface potential relief were observed by work function (WF) measured. It is founded that transition from rough to more small polishing first is accompanied the reduction of WF, then WF grows at achievement parameter waxing. Energy uniform metallic surface is formed when processing blow steel ball.
